Как астрономы Луну измеряли
Mar. 22nd, 2016 08:25 am![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
22sobaki.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ru1960-е, разгар "Лунной гонки". Еще совершенно непонятно, кто первым высадится на Луну - мы или американцы.
Более того, не очень понятно, на что сядет лунный корабль - на твердую поверхность или в пылевую трясину. Ведь по поводу поверхности Луны существует две теории: "пылевая", по которой Луна покрыта многометровым слоем пыли, и "метеорно-шлаковая", согласно которой пыль толщиной всего в несколько миллиметров лежит на твердой основе.
Чтобы узнать свойства поверхности, нужно прилуниться. А чтобы прилуниться, нужно знать свойства поверхности.
Для решения задачи в СССР начинаются наблюдения по методу "искусственной Луны". В разных районах Советского Союза ставят мачты, на которые поднимают и опускают диски диаметром несколько метров - искусственные луны.
Диск размещался на горе, радиотелескоп - под горой.
Начало 1960-х (радиоастрономическая станция «Зименки» под Горьким):
Сегодня (Крым, недалеко от Судака):
Диск имел те же угловые размеры, что и Луна, и находится на той же высоте над горизонтом. Поверхность диска представляла собой абсолютно черное для радиоволн тело:
С помощью радиотелескопа команда под руководством профессора Всеволода Сергеевича Троицкого измеряла интенсивность инфракрасного и радио- излучения от диска. Длина волн составляла от 0,87 мм до 70 см.
Затем диск опускали, измеряли радиоизлучение от неба и настоящей Луны, сравнивали с эталоном (излучением диска, температура которого точно известна), и таким образом определяли температуру спутника Земли.
Измеряли температуру и раньше. Прорывность метода заключалась в том, что точность измерений резко улучшилась: с 20% до 1-2%. А из этого уже можно было делать далекоидущие выводы:
1) Плотность вещества в верхнем слое вещества Луны близка к значениям 0,9-1,2 г/куб.см. Весь слой находится в сильно пористом (50-70%) состоянии в виде застывшего пенистого материала, имеющего теплопроводность в диапазоне (3-5)*10-3 Вт/(м*К).
2) Угол диэлектрических потерь вещества Луны на СВЧ примерно равен потерям в хороших диэлектриках, применяемых в технике.
3) Порода на поверхности в среднем содержит 57% оксида кремния (кварц), 16,5% оксида алюминия (корунд), 7,5% оксида железа.
Каким образом можно определить все эти характеристики по радиоизлучению?
Последовательность, видимо, была такова:
а) С помощью радиолокатора определили коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны (2-4%). Зная, что коэффициент зависит в основном от плотности материала и изучив аналогичные коэффициенты для земных горных пород (10%), пришли к выводу, что лунные породы в 2-5 раз легче земных.
б) С помощью радиотелескопа исследовали собственное излучение Луны на разных длинах волн и получили температуры грунта на разных глубинах (мощность радиоизлучения пропорциональна температуре; чем длиннее волна, тем с большей глубины она приходит).
в) Следя за динамикой изменения температур по глубине во время лунных затмений, сделали выводы о величине коэффициента теплопроводности грунта: он оказался крайне мал и не менялся до глубины нескольких метров. Значит, во-первых, этот слой однороден. А во-вторых, это не пыль (пыль бы самоуплотнилась под действием гравитации, и коэффициент теплопроводности с глубиной бы увеличивался). Следовательно, материал относительно прочный, сохраняющий структуру.
г) Изучили зависимость толщины радиоизлучающего слоя от длины волны и сравнили ее с аналогичными показателями земных пород. Пришли к выводу, что примесей раздробленного (метеорного) железа на Луне нет, т.к. это бы нарушило линейность зависимости. И установили, что наиболее близкими по составу к "луниту" являются земные гранит, габбро, диорит и вулканические туфы. Но, видимо, с другой (пористой) структурой, объясняющей низкую теплопроводность.
Здесь В.С.Троицкий и его коллеги сами рассказывают (1965):
Для оценки точности выводов Троицкого приведу выдержки из лабораторных исследований реголита, проведенных уже после взятия проб на Луне и доставки их на Землю:
1) Объемный вес 1,0-2,0 г/куб.см. Характерна очень большая рыхлость: пористость в районе 50%. Теплопроводность составляет (8-13)*10-3 Вт/(м*К).
2) Реголит - хороший диэлектрик, его диэлектрическая проницаемость равна 3,36.
3) Химический состав сильно варьируется в зависимости от места взятия проб: оксида кремния 47-76%, оксида алюминия 12-19%, оксида железа 2-12%.
В феврале 1966-го стокилограммовая станция "Луна-9" совершила первую в истории мягкую посадку на другое небесное тело.
Фотоснимки показали, что в месте посадки отсутствует толстый и рыхлый пылеватый покров, в котором мог бы утонуть лунный корабль, что поверхностный слой обладает достаточно высокой несущей способностью, и что главную опасность при посадке аппаратов, по-видимому, будет представлять не пылевой слой, а неровности рельефа.
Собственно, Троицкий:
Тот самый человек, на мнении которого основывался С.П. Королев, когда писал свое знаменитое
"Посадку лунного корабля следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы".
1. Успехи физических наук, 1963
2. Троицкий В.С., "Радионаблюдения планет и спутников", 1983
3. Фотографии современного состояния установки отсюда.
Более того, не очень понятно, на что сядет лунный корабль - на твердую поверхность или в пылевую трясину. Ведь по поводу поверхности Луны существует две теории: "пылевая", по которой Луна покрыта многометровым слоем пыли, и "метеорно-шлаковая", согласно которой пыль толщиной всего в несколько миллиметров лежит на твердой основе.
Чтобы узнать свойства поверхности, нужно прилуниться. А чтобы прилуниться, нужно знать свойства поверхности.
Для решения задачи в СССР начинаются наблюдения по методу "искусственной Луны". В разных районах Советского Союза ставят мачты, на которые поднимают и опускают диски диаметром несколько метров - искусственные луны.
Диск размещался на горе, радиотелескоп - под горой.
Начало 1960-х (радиоастрономическая станция «Зименки» под Горьким):
Сегодня (Крым, недалеко от Судака):
Диск имел те же угловые размеры, что и Луна, и находится на той же высоте над горизонтом. Поверхность диска представляла собой абсолютно черное для радиоволн тело:
С помощью радиотелескопа команда под руководством профессора Всеволода Сергеевича Троицкого измеряла интенсивность инфракрасного и радио- излучения от диска. Длина волн составляла от 0,87 мм до 70 см.
Затем диск опускали, измеряли радиоизлучение от неба и настоящей Луны, сравнивали с эталоном (излучением диска, температура которого точно известна), и таким образом определяли температуру спутника Земли.
Измеряли температуру и раньше. Прорывность метода заключалась в том, что точность измерений резко улучшилась: с 20% до 1-2%. А из этого уже можно было делать далекоидущие выводы:
1) Плотность вещества в верхнем слое вещества Луны близка к значениям 0,9-1,2 г/куб.см. Весь слой находится в сильно пористом (50-70%) состоянии в виде застывшего пенистого материала, имеющего теплопроводность в диапазоне (3-5)*10-3 Вт/(м*К).
2) Угол диэлектрических потерь вещества Луны на СВЧ примерно равен потерям в хороших диэлектриках, применяемых в технике.
3) Порода на поверхности в среднем содержит 57% оксида кремния (кварц), 16,5% оксида алюминия (корунд), 7,5% оксида железа.
Каким образом можно определить все эти характеристики по радиоизлучению?
Последовательность, видимо, была такова:
а) С помощью радиолокатора определили коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны (2-4%). Зная, что коэффициент зависит в основном от плотности материала и изучив аналогичные коэффициенты для земных горных пород (10%), пришли к выводу, что лунные породы в 2-5 раз легче земных.
б) С помощью радиотелескопа исследовали собственное излучение Луны на разных длинах волн и получили температуры грунта на разных глубинах (мощность радиоизлучения пропорциональна температуре; чем длиннее волна, тем с большей глубины она приходит).
в) Следя за динамикой изменения температур по глубине во время лунных затмений, сделали выводы о величине коэффициента теплопроводности грунта: он оказался крайне мал и не менялся до глубины нескольких метров. Значит, во-первых, этот слой однороден. А во-вторых, это не пыль (пыль бы самоуплотнилась под действием гравитации, и коэффициент теплопроводности с глубиной бы увеличивался). Следовательно, материал относительно прочный, сохраняющий структуру.
г) Изучили зависимость толщины радиоизлучающего слоя от длины волны и сравнили ее с аналогичными показателями земных пород. Пришли к выводу, что примесей раздробленного (метеорного) железа на Луне нет, т.к. это бы нарушило линейность зависимости. И установили, что наиболее близкими по составу к "луниту" являются земные гранит, габбро, диорит и вулканические туфы. Но, видимо, с другой (пористой) структурой, объясняющей низкую теплопроводность.
Здесь В.С.Троицкий и его коллеги сами рассказывают (1965):
Для оценки точности выводов Троицкого приведу выдержки из лабораторных исследований реголита, проведенных уже после взятия проб на Луне и доставки их на Землю:
1) Объемный вес 1,0-2,0 г/куб.см. Характерна очень большая рыхлость: пористость в районе 50%. Теплопроводность составляет (8-13)*10-3 Вт/(м*К).
2) Реголит - хороший диэлектрик, его диэлектрическая проницаемость равна 3,36.
3) Химический состав сильно варьируется в зависимости от места взятия проб: оксида кремния 47-76%, оксида алюминия 12-19%, оксида железа 2-12%.
В феврале 1966-го стокилограммовая станция "Луна-9" совершила первую в истории мягкую посадку на другое небесное тело.
Фотоснимки показали, что в месте посадки отсутствует толстый и рыхлый пылеватый покров, в котором мог бы утонуть лунный корабль, что поверхностный слой обладает достаточно высокой несущей способностью, и что главную опасность при посадке аппаратов, по-видимому, будет представлять не пылевой слой, а неровности рельефа.
Собственно, Троицкий:
Тот самый человек, на мнении которого основывался С.П. Королев, когда писал свое знаменитое
"Посадку лунного корабля следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы".
1. Успехи физических наук, 1963
2. Троицкий В.С., "Радионаблюдения планет и спутников", 1983
3. Фотографии современного состояния установки отсюда.
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2016-03-22 06:02 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 06:31 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 06:36 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 06:45 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 06:48 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 07:12 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 07:24 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 08:17 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 08:18 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 08:26 am (UTC)При этом желающих профинансировать подобные исследования за свой собственный счёт в России - буквально единицы (в США, кстати, намного больше).
no subject
Date: 2016-03-22 08:30 am (UTC)Спасибо, очень интересно, как работала инженерная мысль в условиях, ограниченных техническими возможностями того времени.
no subject
Date: 2016-03-22 08:33 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 08:45 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 08:47 am (UTC)И, строго говоря, это не радиолокация. Радиолокатор посылает сигнал и ловит его отражение, а это радиотелескоп - он ловит собственное излучение изучаемого объекта.
no subject
Date: 2016-03-22 08:50 am (UTC)К слову. Денег, как пишет Троицкий (сторона заинтересованная, но другой у меня нет), на дистанционное изучение потрачено на 20-30 порядков меньше, чем на получение этих же свойств путем непосредственного взятия проб.
no subject
Date: 2016-03-22 09:01 am (UTC)Можно говорить о том, сколько людей работало - или какие-то иные оценки давать.
Но в данном случае - лично я не вижу вообще никакой ценности в полётах на Луну. Выкинутые деньги, и всё. Если кому-то хочется на это тратить в частном порядке, я не возражаю. :)
no subject
Date: 2016-03-22 09:09 am (UTC)По поводу обратной стороны я, скажем так, прикалывался. Пытался у человека узнать влияние обратной стороны планеты на результаты наблюдения другой стороны.
no subject
Date: 2016-03-22 09:14 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 09:22 am (UTC)Вспоминается анекдот о том как инженер определял обьём красного резинового мячика по таблице для определения обьёма красных резиновых мячиков.
no subject
Date: 2016-03-22 09:38 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 10:03 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 10:11 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 10:19 am (UTC)no subject
Date: 2016-03-22 10:26 am (UTC)Деньги на такие вещи надо брать в добровольном порядке.
no subject
Date: 2016-03-22 11:10 am (UTC)